3-UPS/S船载稳定平台运动学设计与姿态预测控制方法研究

摘要

船舶受风浪流作用而产生的姿态变化严重影响船载设备的作业性能，船载稳定平台是解决该类问题的有效手段，其通过调节自身运动实现船舶姿态的实时主动补偿，可显著降低船舶摇荡对所搭载设备姿态稳定性的影响。本文面向船载设备在复杂海况下的姿态稳定作业需求，研究一种结构紧凑、高负载能力的3-UPS/S构型并联船载稳定平台的运动学设计方法与运动控制关键技术，涉及尺度参数优化设计、基于运动模型的滑模控制以及基于LSTM网络的预测控制等研究内容，旨在为提升和保障该类稳定平台的服役性能奠定技术基础。全文取得了如下研究成果： 在运动学设计方面，以机构工作空间范围与力传递性能的归一化加权和为优化目标，采用改进的小生境遗传算法，实现了机构关键尺度参数的优化设计。分析结果表明，开展优化设计后，机构在工作空间收缩6％的条件下，将全域力传递率指标提升了35%，有效提升了机构的综合性能。在此基础上，研究并揭示了多目标优化过程中权重系数的取值变化对优化结果以及机构综合性能的影响规律，可为同类机构的尺度参数优化设计提供借鉴。 在运动控制方面，面向复杂海况下船载环境的强受扰特性，研究了基于滑模控制器的稳定平台姿态运动控制方法。首先，基于稳定平台的运动学模型构建了滑模面，推导出滑模控制律，并提出了一种新型变幂次趋近律，以兼顾趋近阶段的初期快速性与末期平稳性；而后，论证了控制器的滑模可达性与滑模不变性，求解出干扰稳定界，并分析了控制量限幅对跟踪精度的影响。仿真结果表明，所提滑模控制器对于环境干扰具有良好的抑制能力，可有效提升稳定平台的运动控制精度。 在预测控制方面，为抑制时滞效应所引起的控制误差，提出了船舶运动状态预测模型与滑模控制器相融合的稳定平台预测控制方法。该方法首先基于LSTM神经网络构建船舶的运动状态预测模型，并利用所建立的船舶运动仿真模型生成运动数据，实现网络的训练与测试；而后，将所得预测模型嵌入滑模控制系统，实现船载稳定平台的姿态预测控制。仿真结果表明，引入预测算法后，可将姿态补偿精度进一步提升约20%。 在实验验证方面，采用Stewart平台模拟船舶海上运动状态，将所研制的姿态稳定平台搭载于其上，开展了轨迹跟踪、姿态稳定补偿等实验研究工作。通过对比PID控制器、滑模控制器以及嵌入预测模型的滑模控制器在姿态控制与补偿方面的精度特性，验证了本文所提预测控制方法的有效性。 上述研究成果已用于3-UPS/S构型船载稳定平台的结构设计与控制系统开发，对促进此类船载稳定平台的开发与应用具有重要的理论意义和工程实用价值。